CN111870252A - 基于激光传感的浅表血管震颤测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于激光传感的浅表血管震颤测量方法与装置，通过激光传感器非接触采集浅表血管震颤信号，再通过中值滤波和/或自适应滤波的方法还原获得纯净的震颤信号。本发明测量的浅表血管震颤可以是脉搏引起的震颤和动静脉瘘震颤等。该装置有单个或者双个激光传感器可供选择进行工作，浅表血管震颤信号可通过单激光配合中值滤波器进行提取，也可以采用双激光配合自适应滤波滤除人体自身震颤信号，从而获得纯净的病生理引起的浅表血管震颤信号。

Description

基于激光传感的浅表血管震颤测量方法与装置

技术领域

本发明涉及信号检测方法和设备领域，尤其涉及一种基于基于激光传感的浅表血管震颤测量方法与装置，可测量浅表血管，尤其是动静脉内瘘震颤时传导到皮肤表面的震动信号。

背景技术

术语解释：

浅表血管震颤：浅表血管震颤为触诊时指尖感到的一种细微震动感，比如脉搏引起的震颤；也可能为疾病的特征性体征，比如动静脉瘘引起的浅表震颤等。震颤的发生是血液流经狭窄的口径或向异常的方向流动时，形成漩涡造成血管壁震动传至皮肤表面所致。

动静脉瘘：通过手术在皮下将距离相近的某一动脉和浅表静脉血管联通，人工形成体内动静脉间直通管道。

临床医生通过触摸患者，感受浅表血管震颤进行疾病判断，然而一般情况下只能主观感受到其震颤，而无法定量的解释震颤中包含的病生理信号。因此，能准确测量震颤信号的装置成为迫切需求。

如，当患者进行动静脉造瘘术后，会形成一个动静脉内瘘。动静脉内瘘形成后，压力较高的动脉血快速经过压力较低侧的静脉会形成湍流而产生震颤和杂音。手术成功的标志是术后静脉侧能触及震颤，听到血管杂音。术后医嘱普遍包含要求病人每天自我检查震颤及杂音，以便能及时发现血栓等病变及时就医处理。

目前临床过程中，医生用听诊器听诊患者的血管杂音是比较常规的疾病诊断手段，但只能通过主观感受进行判断，并且出院后患者通常无法自主进行听诊。还有就是由于个体性差异，对相同的信号，每个人主观听到的杂音都略有差异，无法客观准确反映动静脉内瘘的状态。

在现有技术中主要提供了以下几种方法：

(1)脉搏测量

光电容积脉搏波描记法(PPG)是借光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种红外无损检测技术。当一定波长的光束照射到指端皮肤表面时，光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器。利用光电传感器检测经过人体血液和组织吸收后的反射光强度的不同，描记出血管容积在心动周期内的变化。

(2)动静脉瘘震颤的测量

利用听诊器收集内瘘的声学特性。将听诊器的一端放置于内瘘区域，另一端利用声学传感器将内瘘的杂音转化成电信号，再将信号进行放大再进行收集，最后将震颤信号以声学的方式传递给医生。

(3)利用加速度传感器收集内瘘的震颤特性。

将加速度传感器固定到内瘘的静脉侧，使得内瘘的震颤能带动加速度传感器运动，再将加速度传感器传递出来的信号经过放大后进行收集。但该方法依然需要紧贴皮肤进行测量，可能会对内瘘造成压迫。

在上述测量脉搏引起的震颤方案中，光电容积脉搏波描记法本质上时记录的血液容积变化，不是震颤，该方法不能测量血流冲击血管引起的震颤。此外由于测量部位不可避免的移动，周围环境中自然光、日光灯等光源的干扰，会导致结果进一步地不准确。

听诊器测量方式虽然能采集到内瘘的声学特性，但是受环境影响比较明显，容易将外界环境的嘈杂信号掺杂在正常信号中，影响对内瘘状态的判断，听诊方式不能有效提取信号中次声波成分。

采用加速度传感器，对于震颤信号中的匀速部分或者加速度小的部分无法收集到，信号不能正确反映出测量点包含的血管病生理信息。此外，以动静脉瘘为例，临床上建议除了穿刺和必要检查外尽可能不要在瘘上施加外力。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出了一种基于激光传感的浅表血管震颤测量方法与装置，通过激光传感器非接触采集浅表血管震颤信号，再通过中值滤波或自适应滤波的方法还原获得纯净的震颤信号。本发明测量的浅表血管震颤可以是脉搏引起的震颤和动静脉瘘震颤等。该装置有单个或者双个激光传感器可供选择进行工作，浅表血管震颤信号可通过单激光配合中值滤波器进行提取，也可以采用双激光配合自适应滤波滤除人体自身震颤信号，从而获得纯净的病生理引起的浅表血管震颤信号。提出的装置不仅能够在输出信号的基础上以可视化的方式进行展示，还能有效地测量震颤信号，为医生进行病例状态评估提供准确的原始数据来源。

本发明提出的基于激光传感的浅表血管震颤测量方法与装置，能够检测浅表血管震颤，包括脉搏引起的震颤和动静脉瘘震颤等。被试者将手臂放在本装置的手臂放置区，移动可伸缩支架调整激光测量点位置。当实用双激光时，主激光测出的信号将包含手臂自身震颤信号(人体本身含有低频震颤，在本发明中属于噪声)。辅助激光用于人体自身低频震颤噪声信号测量。调整主激光传感器，使其射出的激光对准测量区域，调整辅助激光传感器使其射出的激光避开测量区域，落在其他区域的皮肤上。血液流经血管产生震颤，传递到皮肤表面，导致激光发射口与皮肤表面之间的距离随震颤信号而发生改变，产生的位移变化将被传感器记录下来。最后将采集到的两路信号传递到主机进行分析，通过自适应滤波的方法去除手臂自身发生的位移带来的干扰，得到干净的浅表血管震颤信号。或者，主机上采用主传感器信号结合中值滤波滤除噪声，获得浅表血管震颤信号。

与现有装置相比，本发明的方案是采用非接触式设备，且具备大响应范围(0-2000Hz)，能够有效覆盖所测量的病理和生理信号。发明采用激光测距原理测量血液流经血管产生震颤导致的皮肤表面的距离变化，浅表血管震颤信号可通过单激光配合中值滤波器进行提取，也可以采用双激光配合自适应滤波滤除人体自身震颤信号，从而获得纯净的病生理引起的浅表血管震颤信号。本发明属于无创应用，同时由于采用激光测距原理间接测量震颤，测距精度可以达到0.1um，所以测量结果准确。发明提供的方法不需要与皮肤直接接触，不会给检查部位施加外力，安全性高。同时与光电容积脉搏波描记法相比，激光光源受外界环境影响小，不受环境中光源的干扰，使用场景比较广。与听诊器方案相比，使用激光三角反射法采集震颤信号，采集过程干扰小，精度高，能够有效的收集0-2000Hz范围内，特别是含次声波频段内的信号。与加速度传感器方案相比，由于激光的单色性好、方向性强，所以测距精度高，对微小信号变化敏感性高，且不需要与皮肤直接接触，安全性也更高。

其具体采用以下技术方案：

一种基于激光传感的浅表血管震颤测量方法，其特征在于：通过激光传感器非接触采集浅表血管震颤信号，再通过中值滤波和/或自适应滤波还原获得纯净的震颤信号。

优选地，采用单激光传感器照射皮肤上待测浅表血管所在区域，将采集到的反射光对应的数字信号进行中值滤波，还原获得纯净的震颤信号。

优选地，所述中值滤波包括以下步骤:

步骤A1：定义一个长度为奇数的K长窗口，K＝2N+1，N为正整数；

步骤A2：设在某一个时刻，窗口内的信号样本为x(i-N)，…，x(i)，…，x(i+N)，其中x(i)为位于窗口中心的信号样本值；

步骤A3：对K个信号样本值按从小到大的顺序排列后，取其中值为在i处的样值，定义为中值滤波的输出值。

优选地，采用双激光传感器，其中，主激光传感器照射皮肤上待测浅表血管所在区域，辅助激光传感器照射皮肤上非待测浅表血管所在区域，将采集到的双激光传感器的反射光对应的数字信号进行自适应滤波，还原获得纯净的震颤信号。

优选地，采用最小均方差准则LMS作为自适应滤波的最优准则。

一种基于激光传感的浅表血管震颤测量装置，其特征在于，包括：主激光传感器、辅助激光传感器、U型手臂放置槽和主机；所述U型手臂放置槽用于放置待检测人员的手臂；所述主激光传感器对准皮肤上待测浅表血管所在区域；所述辅助激光传感器对准皮肤上非待测浅表血管所在区域；所述主激光传感器和辅助激光传感器分别连接主机。

优选地，所述主激光传感器和辅助激光传感器分别通过带阻尼的多自由度激光传感器支撑单元安装在与U型手臂放置槽集成的底座上。

优选地，还包括可供选择的反光片，用于敷设于皮肤上待测浅表血管所在区域及其周边区域，用于增强激光测量信号的效果。

优选地，所述反光片是由反光层、粘贴层和隔离纸组成的方形贴片，尺寸至少为2mm x 2mm。

以及根据以上优选装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤B1：将待检测人员的手臂放在底座上的U型手臂放置槽，手臂内侧朝上；

步骤B2：在待测浅表血管所在区域贴上反光片：撕开反光片上的隔离纸，反光层向上，粘贴层贴在待测浅表血管所在区域，与使用者的皮肤表面接触；

步骤B3：调节两侧的激光传感器支撑单元的位置和角度，使激光传感器位于待测浅表血管所在区域上方；

步骤B4：调整主激光传感器的支撑单元，使其射出的激光对准待测浅表血管所在区域的反光片上，采集浅表血管震颤信号；

步骤B5：若要进行自适应滤波，则再调整辅助激光传感器的支撑单元，使其射出的激光避开待测浅表血管所在区域，落在待测浅表血管所在区域附近皮肤的反光片上，采集人体自身的震颤信号；若进行中值滤波，则跳过此步骤；

步骤B6：将主激光传感器和辅助激光传感器采集到的信号传递到主机进行分析；

步骤B7：单激光配合中值滤波器提取震颤信号，双激光配合自适应滤波滤除人体自身震颤信号，从而获得纯净的浅表血管震颤信号。

本发明及其优选方案相比于现有技术有几大显著优点：

1、将震颤转化为位移进行测量。提出了一种基于激光传感的浅表血管震颤测量方法与装置，测量血液流经血管产生的浅表震颤。选择的激光光源测量方法，受外界环境影响小，抗干扰性好，传感响应速度快，最高精度可以达到1um，能够在自然光下做到高频震颤测量(可实现0-2000Hz振动分析)。

2、本发明可通过单激光配合中值滤波器提取信号，在保护信号轮廓的同时对信号进行平滑处理，剔除脉冲型噪声又可以使震颤信号的参数不受影响。

3、本发明可采用自适应滤波法进行信号的增强和提取，将采集到的浅表血管震颤信号和人体自身的震颤信号，利用自适应抵消模型提取干净、高质量的浅表血管震颤信号。

4、本发明属于无创技术，不需要与皮肤直接接触，安全性高。

上述提及的指标参数受传感器性能决定，选用更好的传感器可以达到更高的性能。

需要特别强调的是，本发明方案并不属于疾病的诊断和治疗方案，因采集震颤信息仅为对人体信息的一种采集，可以作为辅助医生进行判断的参考，但并不能直接形成对疾病的诊断判断及治疗。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1是本发明实施例装置整体结构示意图；

图2是本发明实施例采用的体表震颤的激光三角反射法原理示意图；

图3是本发明实施例采用的窗长K＝1.5s的中值滤波结果示意图；

图4是本发明实施例中值滤波后提取的效果示意图；

图5是本发明实施例自适应滤波原理示意图；

图6是本发明实施例采用自适应滤波测量得到的震颤信号示意图(瘘口信号)；

图7是本发明实施例采用自适应滤波测量得到的震颤信号示意图(无震颤皮肤信号)

图8是本发明实施例自适应滤波提取结果示意图。

图中：1-激光传感器支撑单元；2-主激光传感器；3-辅助激光传感器；4-底座；5-U型手臂放置槽；6-反光片；7-主机；8-反光层；9-粘贴层；10-隔离纸。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：

1.装置总述

本实施例装置整体结构如图1所示，被试者将手臂放在底座4上的U型手臂放置槽5，调节激光传感器支撑单元1，该支撑单元是带阻尼的多自由度激光传感器支撑单元，能够固定并调整激光与测量点之间的位置和距离。调整主激光传感2器，使其射出的激光对准测量区域，调整辅助激光传感器3使其射出的激光避开测量区域，落在其他区域的皮肤上。血液流经血管产生震颤，传递到皮肤表面，导致激光发射口与皮肤表面之间的距离随震颤信号而发生改变，产生的位移变化被主激光传感器2和辅助激光传感器3记录。最后将采集到的两路信号传递到主机7进行分析，浅表血管震颤信号可通过单激光配合中值滤波器进行提取，也可以采用双激光配合自适应滤波滤除人体自身震颤信号，从而获得纯净的病生理引起的浅表血管震颤信号。

为了增强激光的反射效果，根据使用装置时的具体情况，还可以在测量区域贴上反光片6。反光片6是由反光层8、粘贴层9和隔离纸10组成的方形贴片，考虑到反光片6需覆盖激光到达测量点的所有光束，因此建议反光片6的尺寸至少为2mm x 2mm以上。反光层8采用铝模结构，具有良好的光反射性能。粘贴层为聚氨酯水凝9，便于将反光片6贴在测量区域。聚氨酯水凝胶有生物相容、无致敏、不粘黏人体毛发、使用周期长等优点。使用时，撕开反光片6上的隔离纸10，将粘贴层9贴在测量区域，与使用者的皮肤表面接触，反光层8则向上，确保激光光束落在反光层8上。需要注意，在本装置中反光片并不是必须的，但是它的使用能够增强测量的效果。

2.测量原理

激光距离传感器发射出的激光经患者皮肤表面的反射后又被测距仪接收，传感器同时记录下了激光往返的时间。假设光在空气中传播的速度为c，在传感器和被测量点之间往返一次所需的时间为t，则传感器和被测量点之间的距离L可用以下公式表示：

本实施例的激光传感器采用的是激光三角反射法原理，原理图如图2所示。半导体激光器通过镜头将可见的红色激光射向被测物体表面，经被测物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的线性CCD阵列接收，根据不同的距离，线性CCD阵列可以在不同的角度下“看见”这个光点。当物体发生位移，由位置A移动到位置B时，激光被反射到线性CCD阵列上的不同位置。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器通过三角函数计算阵列上的光点位置，就能计算出传感器和被测物体之间的距离。同时，光束在接收元件的位置通过模拟电路和数字电路的处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。本实施例使用的高精度激光三角测量传感器，传感响应速度快，精度可以达到0.1um，能提供高精度的测量检测。

3.中值滤波法

生物信号一般都要用数字滤波器进行处理以消除由于生理或物理原因产生的噪声对信号质量的影响。线性滤波在不同程度上都能用于信号的处理，但线性滤波无法完全抑制脉冲型噪声，而本实施例提供的非线性的中值滤波方法可以在保护信号轮廓的同时对信号进行平滑处理。特别是既可以剔除脉冲型噪声又可以使震颤信号的参数不受影响。

中值滤波是基于排序统计理论的一种能有效抑制噪声的非线性信号处理技术。方法是通过采样窗口取出奇数个数据进行排序，用排序后的中值取代要处理的数据。中值滤波的算法比较简单，也易于用硬件实现。对一个数字信号序列进行滤波处理时，本实施例提供的具体步骤如下：

(1)定义一个长度为奇数的K长窗口，K＝2N+1，N为正整数。

(2)设在某一个时刻，窗口内的信号样本为x(i-N)，…，x(i)，…，x(i+N)，其中x(i)为位于窗口中心的信号样本值。

对这K个信号样本值按从小到大的顺序排列后，取其中值为在i处的样值，即定义为中值滤波的输出值。

其实施的效果如图3、图4所示。

4.自适应滤波法

自适应滤波器具有滤波效果好，可操作性强等优点，属于数字滤波器的一种，但它不同于一般的数字滤波器，它不采用固定的滤波系数，能够跟踪和适应系统或环境的变化，在工程应用中不需要预先知道干扰噪声的统计特性，通过逐次迭代能够自适应地将其自身的工作状态调整到最佳。自适应滤波器能够随着外界信号特性动态地改变参数，保持最佳滤波状态，参数的调整是由自适应算法来决定的。本实施例选用最小均方差准则(LMS)作为自适应滤波的最优准则，该算法具有计算量小、稳定性好且易于实现等优点。

最小均方差准则(LMS)是一种迭代算法，具体流程为：设定初始的滤波器权重系数ω_i(n)，读取自适应滤波器的输入u(n)和期待响应信号d(n)。计算自适应滤波器的输出y(n)，公式如下：

滤波器输出y(n)相对于d(n)的误差为e(n)，有：

e(n)＝d(n)-y(n)

得到计算因子μe(n)，更新滤波器权重系数，进行迭代：

ω_i(n+1)＝ω_i(n)+2μe(n)u(n-i)

LMS算法收敛的充分条件是：

其中：μ表示步长因子；M表示FIR滤波器阶数，有0＜i＜M-1；λ_max表示自相关矩阵R的最大特征值。

在本实施例中，两个激光传感器分别采集到浅表血管震颤信号s和人体自身的震颤信号N_NL。浅表血管震颤信号s包含有效的浅表血管震颤信号X和人体自身的震颤噪声信号N_L。由于两个激光传感器不是测量同一个位置，有N_NL≠N_L，但是他们共同包含有人体自身震颤的信号成分。为获取有效的浅表血管震颤信号X，本发明采用最小均方误差准则(LMS)对收集的信号进行滤波处理，滤除人体自身的震颤信号N_NL。将带有噪声信号N_L的浅表血管震颤信号s作为主通道的信号源，人体自身的震颤信号N_NL作为参考通道的信号源。自适应滤波原理框图如图5所示。

其中，主通道包含有效的浅表血管震颤信号X和人体自身的震颤噪声信号N_L：

d(n)＝S＝X+N_L

e(n)＝d(n)-y(n)

＝X+N_L-N_NL

计算均方差：

ξ＝E[e²(n)]

＝E{[X+N_L-N_NL]²}

＝E[X²]+E{[N_L-N_NL]²}+2E{X[N_L-N_NL]}

已知N_NL≠N_L，要想输出稳定的浅表血管震颤信号，方差ξ需要达到最小值，令：

E{[v₀(n)-y(n)]²}→0

可通过调节自适应滤波器的权重系数ω(n)，使得：

ω(n)→ω^*(n)

此时方差ξ最小，采集到的人体自身的震颤信号N_NL将十分接近人体自身的震颤噪声信号N_L，取系统的误差信号作为输出信号，输出信号为仅含有效的浅表血管震颤信号X。

其最终的信号提取结果如图6-图8所示。

5.测量流程

根据本实施例以上提供的装置和算法，即可以实现对浅表血管震颤信号的采集，以对内瘘部位的血管震颤为例，包括以下步骤：

第一步：将待检测人员的手臂放在底座上的U型手臂放置槽，手臂内侧朝上使得动静脉内瘘朝上。

第二步：在测量区域贴上反光片。撕开反光片上的隔离纸，反光层向上，粘贴层贴在测量区域，与使用者的皮肤表面接触。

第三步：调节两侧的激光传感器支撑单元的位置和角度，使激光传感器位于内瘘上方。

第四步：调整主激光传感器的支撑单元，使其射出的激光对准内瘘测量区域的反光片上，采集浅表血管震颤信号。

第五步：若要进行自适应滤波，则再调整辅助激光传感器的支撑单元，使其射出的激光避开内瘘测量区域，落在内瘘附近皮肤的反光片上，采集人体自身的震颤信号。若进行中值滤波，则跳过此步骤。

第六步：将主激光传感器和辅助激光传感器采集到的信号传递到主机进行分析。

第七步：单激光配合中值滤波器提取震颤信号，双激光配合自适应滤波滤除人体自身震颤信号，从而获得纯净的病生理引起的浅表血管震颤信号。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于激光传感的浅表血管震颤测量方法与装置，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种基于激光传感的浅表血管震颤测量方法，其特征在于：通过激光传感器非接触采集浅表血管震颤信号，再通过中值滤波和/或自适应滤波还原获得纯净的震颤信号。

2.根据权利要求1所述的基于激光传感的浅表血管震颤测量方法，其特征在于：采用单激光传感器照射皮肤上待测浅表血管所在区域，将采集到的反射光对应的数字信号进行中值滤波，还原获得纯净的震颤信号。

3.根据权利要求2所述的基于激光传感的浅表血管震颤测量方法，其特征在于：所述中值滤波包括以下步骤:

步骤A1：定义一个长度为奇数的K长窗口，K=2N+1，N为正整数；

步骤A2：设在某一个时刻，窗口内的信号样本为x(i-N)，…，x(i)，…，x(i+N)，其中x(i)为位于窗口中心的信号样本值；

步骤A3：对K个信号样本值按从小到大的顺序排列后，取其中值为在i处的样值，定义为中值滤波的输出值。

4.根据权利要求1所述的基于激光传感的浅表血管震颤测量方法，其特征在于：采用双激光传感器，其中，主激光传感器照射皮肤上待测浅表血管所在区域，辅助激光传感器照射皮肤上非待测浅表血管所在区域，将采集到的双激光传感器的反射光对应的数字信号进行自适应滤波，还原获得纯净的震颤信号。

5.根据权利要求4所述的基于激光传感的浅表血管震颤测量方法，其特征在于：采用最小均方差准则LMS作为自适应滤波的最优准则。

6.一种基于激光传感的浅表血管震颤测量装置，其特征在于，包括：主激光传感器、辅助激光传感器、U型手臂放置槽和主机；所述U型手臂放置槽用于放置待检测人员的手臂；所述主激光传感器对准皮肤上待测浅表血管所在区域；所述辅助激光传感器对准皮肤上非待测浅表血管所在区域；所述主激光传感器和辅助激光传感器分别连接主机。

7.根据权利要求6所述的基于激光传感的浅表血管震颤测量装置，其特征在于：所述主激光传感器和辅助激光传感器分别通过带阻尼的多自由度激光传感器支撑单元安装在与U型手臂放置槽集成的底座上。

8.根据权利要求7所述的基于激光传感的浅表血管震颤测量装置，其特征在于：还包括反光片，用于敷设于皮肤上待测浅表血管所在区域及其周边区域。

9.根据权利要求8所述的基于激光传感的浅表血管震颤测量装置，其特征在于：所述反光片是由反光层、粘贴层和隔离纸组成的方形贴片，尺寸至少为2mm x 2mm。

10.根据权利要求9所述的基于激光传感的浅表血管震颤测量装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤B1：将待检测人员的手臂放在底座上的U型手臂放置槽，手臂内侧朝上；

步骤B2：在待测浅表血管所在区域贴上反光片：撕开反光片上的隔离纸，反光层向上，粘贴层贴在待测浅表血管所在区域，与使用者的皮肤表面接触；

步骤B3：调节两侧的激光传感器支撑单元的位置和角度，使激光传感器位于待测浅表血管所在区域上方；

步骤B4：调整主激光传感器的支撑单元，使其射出的激光对准待测浅表血管所在区域的反光片上，采集浅表血管震颤信号；

步骤B5：若要进行自适应滤波，则再调整辅助激光传感器的支撑单元，使其射出的激光避开待测浅表血管所在区域，落在待测浅表血管所在区域附近皮肤的反光片上，采集人体自身的震颤信号；若进行中值滤波，则跳过此步骤；

步骤B6：将主激光传感器和辅助激光传感器采集到的信号传递到主机进行分析；

步骤B7：单激光配合中值滤波器提取震颤信号，双激光配合自适应滤波滤除人体自身震颤信号，从而获得纯净的浅表血管震颤信号。

Images